Luận án Tiến sĩ: Nước dâng do bão và gió mùa khu vực Vịnh Bắc Bộ (Phạm Trí Thức)

Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía bắc Biển Đông. Khu vực này thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão nhiệt đới và áp thấp nhiệt đới. Mỗi năm trung bình có 4-6 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp. Nước dâng do bão kết hợp với thủy triều gây ngập lụt nghiêm trọng. Các tỉnh ven biển như Quảng Ninh, Hải Phòng, Thái Bình chịu thiệt hại nặng nề. Gió mùa đông bắc thổi mạnh từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Gió mùa tây nam hoạt động từ tháng 5 đến tháng 9. Hai hệ thống gió mùa này đều gây ra hiện tượng nước dâng. Nghiên cứu đặc điểm nước dâng giúp nâng cao năng lực dự báo. Cần có giải pháp phòng chống hiệu quả cho cộng đồng ven bờ.

Mục tiêu chính là xác định đặc điểm nước dâng do bão trong khu vực biển ven bờ Vịnh Bắc Bộ. Nghiên cứu phân tích đặc điểm nước dâng do gió mùa tại cùng khu vực. Xác định nguyên nhân gây nước dâng đạt đỉnh sau khi bão đổ bộ nhiều giờ. Tìm hiểu cơ chế nước dâng tại những điểm xa vị trí bão đổ bộ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ vùng biển ven bờ Vịnh Bắc Bộ. Đối tượng tập trung vào nước dâng do bão nhiệt đới và gió mùa. Dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu quan trắc mực nước, bão và gió mùa. Mô hình số trị được áp dụng để mô phỏng và phân tích. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

Luận án phát hiện hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ. Đây là kết quả mới chưa được công bố trước đó. Nghiên cứu chỉ ra nguyên nhân gây nước dâng đáng kể tại những điểm xa vị trí bão đổ bộ. Mô hình tích hợp thủy triều, sóng và nước dâng do bão (mô hình SUWAT) được áp dụng. Mô hình bão giải tích Fujita (1952) được sử dụng để tái tạo trường gió bão. Mô hình dự báo số trị khí tượng WRF hỗ trợ phân tích hoàn lưu. Kết hợp nhiều phương pháp hiện đại tạo nên tính mới cho nghiên cứu. Luận án cung cấp cái nhìn toàn diện về nước dâng trong khu vực.

Số liệu mực nước được thu thập từ hệ thống trạm đo ven bờ Vịnh Bắc Bộ. Các trạm chính bao gồm Hòn Dấu, Bạch Long Vĩ, Cát Bà. Thời gian quan trắc kéo dài nhiều năm để đảm bảo đại diện thống kê. Dữ liệu bão và áp thấp nhiệt đới từ Trung tâm Cảnh báo Bão Liên hợp (JTWC). Thông tin bao gồm vị trí, cường độ, quỹ đạo và bán kính gió bão. Số liệu gió và khí áp tại các trạm khí tượng ven bờ được tổng hợp. Dữ liệu thủy triều được tách riêng để phân tích nước dâng. Chất lượng dữ liệu được kiểm tra và xử lý trước khi phân tích. Các khoảng trống dữ liệu được bổ sung bằng phương pháp nội suy. Bộ dữ liệu hoàn chỉnh phục vụ mô hình hóa số trị.

Nước dâng được tách từ dao động mực nước thực đo bằng cách loại bỏ thủy triều. Phương pháp phân tích điều hòa được áp dụng để xác định thành phần thủy triều. Số cạn điều hòa sử dụng phù hợp với đặc điểm khu vực Vịnh Bắc Bộ. Sau khi loại bỏ thủy triều, phần dư chứa nước dâng và nhiễu. Bộ lọc được áp dụng để tách nhiễu tần số cao. Phần còn lại đại diện cho nước dâng do bão hoặc gió mùa. Phương pháp này được kiểm chứng bằng so sánh với mô hình số trị. Độ chính xác của phương pháp tách nước dâng đạt yêu cầu nghiên cứu. Kết quả tách nước dâng là cơ sở cho phân tích đặc điểm. Quy trình xử lý dữ liệu được tiêu chuẩn hóa và tái lặp.

Mô hình SUWAT tích hợp ba thành phần: thủy triều, sóng và nước dâng do bão. Mô hình sử dụng phương trình nông (shallow water equations) để tính toán. Trường gió và áp suất từ bão được cung cấp bởi mô hình giải tích. Mô hình bão Fujita (1952) mô tả phân bố áp suất và gió quanh tâm bão. Tham số đầu vào bao gồm áp suất trung tâm, áp suất môi trường, bán kính gió bão. Mô hình SUWAT cho phép tính toán nước dâng chi tiết trong không gian và thời gian. Kết quả mô hình được kiểm định bằng số liệu quan trắc tại các trạm. Sai số mô hình nằm trong giới hạn chấp nhận được. Mô hình này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu quốc tế. Ứng dụng cho Vịnh Bắc Bộ cho kết quả phù hợp với thực tế.

Thống kê tần suất nước dâng tại các trạm ven bờ Vịnh Bắc Bộ cho kết quả rõ ràng. Trạm Hòn Dấu ghi nhận tần suất nước dâng do bão cao nhất. Trạm Bạch Long Vĩ có giá trị nước dâng cực đại lớn do vị trí ngoài khơi. Trạm Cát Bà chịu ảnh hưởng bởi cả bão và gió mùa đông bắc. Nước dâng do bão chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số sự kiện nước dâng. Áp thấp nhiệt đới cũng gây ra nước dâng đáng kể nhưng nhỏ hơn bão. Phân tích tần suất theo mùa cho thấy tập trung vào tháng 7-11. Đây là mùa bão hoạt động mạnh nhất trên Biển Đông. Tần suất nước dâng lớn giảm dần về phía nam vịnh. Phân bố không gian phản ánh đặc điểm khí tượng và hải văn khu vực.

Bão nhiệt đới là nguyên nhân chính gây nước dâng lớn tại Vịnh Bắc Bộ. Cường độ bão tỷ lệ thuận với mức nước dâng tại các trạm. Bão mạnh cấp 12-15 gây nước dâng từ 0.5m đến 1.5m. Áp thấp nhiệt đới gây nước dâng nhỏ hơn, thường dưới 0.5m. Quỹ đạo bão đi qua trung tâm vịnh gây nước dâng đối xứng hai bên bờ. Bão đi lệch về phía tây gây nước dâng lớn hơn ở bờ tây. Bão đi lệch về phía đông gây nước dâng lớn hơn ở bờ đông. Tốc độ di chuyển của bão ảnh hưởng đến thời gian nước dâng. Bão di chuyển chậm tạo thời gian tích lũy nước dâng dài hơn. Bán kính gió bão quyết định phạm vi ảnh hưởng của nước dâng.

Gió mùa đông bắc thổi mạnh từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Gió hướng đông bắc tạo điều kiện thuận lợi cho nước dâng ở phía tây vịnh. Đợt gió mùa mạnh gây nước dâng từ 0.2m đến 0.5m. Thời gian nước dâng do gió mùa kéo dài từ 2-5 ngày. Gió mùa tây nam hoạt động từ tháng 5 đến tháng 9. Gió hướng tây nam gây nước dâng ở phía đông vịnh Bắc Bộ. Mức nước dâng do gió mùa tây nam thường nhỏ hơn đông bắc. Kết hợp gió mùa với áp thấp nhiệt đới tăng cường nước dâng. Gió mùa đông bắc kết hợp thủy triều đỉnh gây ngập lụt ven bờ. Phân tích trung bình các tháng cho thấy chu kỳ mùa rõ ràng. Nước dâng do gió mùa là yếu tố cần quan tâm trong dự báo.

Phân tích mô phỏng phát hiện nước dâng đạt đỉnh sau bão đổ bộ 3-6 giờ. Hiện tượng này xuất hiện ở hầu hết các trường hợp bão mạnh. Cơ chế chính là do quán tính của dòng nước trong vịnh. Bão đổ bộ làm giảm gió nhưng dòng nước đã tích lũy trước đó. Sóng bão phản xạ từ bờ biển tạo giao thoa tăng cường. Thời gian trễ phụ thuộc vào kích thước và độ sâu của vịnh. Vịnh Bắc Bộ có dạng hình chữ nhật thuận lợi cho hiện tượng này. Nghiên cứu quốc tế cũng ghi nhận hiện tượng tương tự ở các vịnh khác. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng cho công tác dự báo cảnh báo. Cần kéo dài thời gian cảnh báo nước dâng sau khi bão đổ bộ.

Mô phỏng cho thấy nước dâng đáng kể tại các điểm cách xa tâm bão. Hoàn lưu bão mở rộng phạm vi ảnh hưởng ra xa 200-300km. Gió xoáy quanh bão đẩy nước về phía bờ đối diện. Hiệu ứng Coriolis làm lệch dòng nước sang phải ở Bắc bán cầu. Đáy biển nông của Vịnh Bắc Bộ khuếch đại nước dâng xa tâm bão. Các trạm phía bắc vịnh ghi nhận nước dâng dù bão đổ bộ phía nam. Phản xạ sóng từ bờ biển tạo standing wave trong vịnh. Địa hình bờ lượn và đảo ảnh hưởng đến phân bố nước dâng. Kết quả mô phỏng phù hợp với quan trắc tại các trạm xa. Cần mở rộng vùng cảnh báo nước dâng ra ngoài phạm vi bão trực tiếp.

Mô hình WRF và SUWAT được áp dụng cho các đợt gió mùa điển hình. Đợt gió mùa ngày 3/12/2017 gây nước dâng rõ rệt ở phía tây vịnh. Đợt gió mùa ngày 21-22/12/2017 tạo nước dâng mạnh hơn do gió giật. Giá trị nước dâng do gió mùa đạt 0.3-0.5m tại các trạm ven bờ. Phân tích trung bình các tháng cho thấy đặc điểm theo mùa rõ rệt. Tháng 11-12 có tần suất nước dâng do gió mùa cao nhất. Tháng 6-8 nước dâng do gió mùa tây nam xuất hiện nhưng nhỏ hơn. Tốc độ gió trung bình tháng tỷ lệ với mức nước dâng. Gió mùa đông bắc mạnh gây nước dâng kết hợp thủy triều. Cần tích hợp yếu tố gió mùa vào hệ thống cảnh báo nước dâng. Kết quả mô phỏng gió mùa cung cấp cơ sở khoa học cho dự báo.

Luận án cung cấp bộ dữ liệu nước dâng do bão và gió mùa đầy đủ. Đặc điểm nước dâng tại các trạm ven bờ Vịnh Bắc Bộ được thống kê chi tiết. Hiện tượng nước dâng đạt đỉnh sau bão đổ bộ được phát hiện và giải thích. Nguyên nhân nước dâng xa tâm bão được làm sáng tỏ. Mô hình SUWAT được kiểm định và áp dụng thành công cho Vịnh Bắc Bộ. Phương pháp tách nước dâng từ số liệu thực đo được tiêu chuẩn hóa. Kết quả bổ sung kiến thức về hải văn học khu vực. Phân tích tần suất nước dâng phục vụ đánh giá rủi ro thiên tai. Nghiên cứu mở hướng cho các công trình tiếp theo. Đóng góp vào kho tàng tri thức về nước dâng do bão và gió mùa.

Kết quả nghiên cứu ứng dụng trực tiếp vào công tác dự báo nước dâng. Cần kéo dài thời gian cảnh báo sau khi bão đổ bộ. Mở rộng vùng cảnh báo ra ngoài phạm vi bão trực tiếp ảnh hưởng. Tích hợp yếu tố gió mùa vào hệ thống cảnh báo nước dâng. Quy hoạch xây dựng công trình ven bờ cần xem xét nước dâng cực đại. Bản đồ ngập lụt do nước dâng cần được cập nhật theo kết quả mới. Giáo dục cộng đồng về nguy cơ nước dâng do bão và gió mùa. Đầu tư hệ thống quan trắc mực nước tự động ven bờ. Phát triển mô hình dự báo nước dâng thời gian thực. Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu nước dâng Biển Đông. Áp dụng phương pháp luận cho các vùng biển khác của Việt Nam.